CN102112834A - 在设备中制造水泥熟料的方法以及如此制造水泥熟料的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在设备中制造水泥熟料的方法，其中所述设备包括旋风预加热器、预煅烧反应器、旋转炉和熟料冷却器，其中，所述炉子的烟被导向所述预煅烧反应器、甚至所述旋风预加热器。根据本发明，用富含氧的、氮含量低于30％的气体(9)供给所述预煅烧反应器(4)，其中所述气体(9)构成所述反应器的唯一氧源；使从所述旋风预加热器中出来的气体的一部分(8a)再循环到所述设备中，以获得材料在所述预加热器中悬浮所必需的足够的气流，而富含二氧化碳的另一部分(8b)则适于接受允许限制二氧化碳在大气中的排放的处理，例如尤其是封存。

Description

在设备中制造水泥熟料的方法以及如此制造水泥熟料的设备
技术领域
本发明涉及用于在设备中制造水泥熟料的方法，以及用于如此制造水泥熟料的设备。
背景技术
水泥的制造大部分使用焙烧材料，即熟料，其由主要成分为碳酸钙的矿物制成。熟料的制造经过焙烧操作，该焙烧操作既通过碳酸钙的分解又通过该操作所必需的燃料的燃烧而产生大量的二氧化碳。
例如，生产一吨的所谓波特兰(Portland)水泥因此伴有来自于所处理材料的、大约530千克的二氧化碳的排放，以及来自于燃料的、250至300千克的二氧化碳的排放。所述二氧化碳以低于30％的浓度排放在烟中，其中所述烟的主要成分是氮气。在所述条件下，难以隔离、尤其是难以封存(séquestrer)所述二氧化碳，以限制二氧化碳在大气中的排放。
水泥熟料的制造最常使用所谓的干法焙烧方法，其中预先破碎的原材料在旋转炉中煅烧。为了减小操作的能量需求，将交换器加在旋转炉的上游和下游，所述交换器直接回收包含在从炉子中出来的烟和材料中的热量。
在上游是旋风预加热器，在该旋风预加热器中生料被悬浮地预加热，并部分地脱二氧化碳。在下游是熟料冷却器，在该熟料冷却器中焙烧材料通过吹送冷空气来冷却。大部分的以所谓的干法来工作的设备在预加热器的下面包括称为预煅烧器的燃烧反应器，在该燃烧反应器中供有由焙烧单元所消耗燃料的可观的一部分，并且在该燃烧反应器中悬浮材料中所包含的碳酸钙实现了其大部分的脱二氧化碳反应。
发明内容
本发明的主题旨在通过提出一种经济上可行的用于制造水泥熟料的方法，来解决上述缺陷，其中所述方法允许限制二氧化碳在大气中的排放。
本发明的另一个目的在于提出一种这样的方法，其能够在技术上接近常用的用于生产水泥熟料的设备的设备中实施。
本发明的另一个目的在于提出如此的设备。
本发明的其他目的和优点将在以下仅示例地而非为了限制而给出的描述中变得显而易见。
首先，本发明涉及一种用于在设备中制造水泥熟料的方法，其中所述设备包括：
旋风预加热器，其用于预加热生料；
预煅烧反应器，其设有一个或多个燃烧器，为旋风预加热器提供热量；
旋转炉，其设有被供给燃料的燃烧器，所述炉子的烟被导向预煅烧反应器和/或旋风预加热器；
通过吹送冷却气体来冷却熟料的熟料冷却器，其位于所述旋转炉的出口处，并产生热气，
在所述方法中：
在所述旋风预加热器和/或所述预煅烧反应器中预加热生料并将该生料脱二氧化碳；
在所述熟料冷却器中冷却从所述炉子中出来的熟料。
根据本发明：
用富含氧的、氮含量低于30％的气体供给预煅烧反应器，其中所述气体构成所述反应器的唯一氧源；
使从所述旋风预加热器中出来的气体的一部分再循环到所述设备中，以获得材料在所述预加热器中悬浮所必需的足够的气流，而富含二氧化碳的另一部分则适于接受允许限制二氧化碳在大气中的排放的处理，例如尤其是封存。
本发明还涉及一种用于制造水泥熟料的设备，所述设备特别地允许实施所述方法，并包括：
旋风预加热器，其用于预加热生料；
预煅烧反应器，其设有一个或多个燃烧器，为旋风预加热器提供热量；
旋转炉，其设有被供给燃料的燃烧器，所述炉子的烟被导向预煅烧反应器，甚至被导向所述预加热器；
通过吹送冷却气体来冷却熟料的熟料冷却器，其位于所述旋转炉的出口处，并产生热气。
根据本发明，所述设备还包括：
富含氧的、氮含量低于30％的气体的源，其供给预煅烧反应器；
管道，用于使从所述旋风预加热器中出来的气体的一部分再循环到所述设备中。
附图说明
阅读以下伴有附图的描述将更好地理解本发明。在这些附图中：
图1示意地示出了符合本发明的、根据第一实施例的制造方法和相关联的设备的示例；
图2示出了符合本发明的、根据第二实施例的水泥熟料制造方法及相关联的设备；
图3示出了符合本发明的、根据第三实施例的水泥熟料制造方法和相关联的设备。
具体实施方式
并且，本发明涉及用于在设备中制造水泥熟料的方法。
所述设备包括：
旋风预加热器3，其用于预加热生料2；
预煅烧反应器4，其设有一个或多个燃烧器，为旋风预加热器3提供热量(热气)；
旋转炉1，其设有被供给燃料的燃烧器，所述炉子1的烟被导向预煅烧反应器4和/或旋风预加热器3；
通过吹送冷却气体来冷却熟料的熟料冷却器5，其位于所述旋转炉1的出口处，并产生热气。
因此涉及一种设备，该设备以与现有技术的设备同等的方式包括旋风预加热器、预煅烧反应器、旋转炉和熟料冷却器。
根据本发明的方法：
在所述旋风预加热器3和/或所述预煅烧反应器4中预加热生料并对其进行脱二氧化碳；
在所述熟料冷却器5中冷却从炉子1中出来的熟料。
根据本发明：
用富含氧的、氮含量低于30％的气体9供给预煅烧反应器4，其中所述气体9构成所述反应器4的唯一氧源；
使从所述旋风预加热器3中出来的气体8的一部分8a再循环到所述设备中，以获得材料在所述预加热器3中悬浮所必需的足够的气流，而富含二氧化碳的另一部分8b则适于接受允许限制二氧化碳在大气中的排放的处理，例如尤其是封存。
本发明在于用纯氧或至少一种氮含量相对于空气中的氮含量大大减小的充氧气体来替代空气，用于在预煅烧反应器4处的燃烧。
所产生的烟的量因此比通常所产生的更少，并且不足以保持材料悬浮并因此保证旋风预加热器的正常气动运行(fonctionnement aéraulique)。
根据本发明，通过使从预加热器出来的足够量的烟再循环以保持足够的气体流来恢复该失衡。所产生的气体因此富含二氧化碳而贫氮，并因此适于接受允许限制二氧化碳在大气中的排放的处理，例如尤其是封存。
更具体地，根据一个实施例，使从所述预加热器3中出来的气体的部分8a再循环，以保证所处理材料和烟之间的质量流量比包括在0.5千克/千克和2千克/千克之间。
根据所述方法的、特别地如图1的示例所示的一个实施例，使从旋风预加热器3出来的气体8的部分8a再循环，并在将其直接导向预煅烧反应器4甚至旋风预加热器3之前对其进行重新加热。例如，借助于由熟料冷却器5所产生的热气的一部分6来对再循环气体部分8a进行重新加热。
现在更具体地描述图1的示例。
在该示例中，熟料冷却器5的冷却气体为空气，因此包含很大部分的氮。
由熟料冷却器5所产生的热空气被分为三股流。在冷却器中所产生的热空气的、称为二次流(flux secondaire)的部分60被导向旋转炉1，以在炉子中用作燃烧空气。
在熟料冷却器中所产生的热气的、称为三次流(flux tertiaire)的第二部分6被与第一部分60分开地引导到交换器11，以重新加热再循环气体的部分8a，其中所述第二部分6由至少等于750摄氏度的温度限定。
最后，温度低于三次流的温度的第三部分7被提取，并可以用于产生机械能，甚至电能。
可能地，包含在交换器11下游的三次流6a中的残余热量可以用于产生能量，尤其是电能。可能地，同样可以将包含在预加热器3的烟的没有再循环的部分8b中的残余热量用于产生能量。
需要注意的是，在该示例中，再循环部分8a被直接导向所述预煅烧反应器4、甚至旋风预加热器3。当气体被导向预煅烧反应器4时，反应器4中的燃烧气体为富含氧的气体9和富含二氧化碳的再循环部分8a的混合物。有利地，因此避免了燃烧气体过于富含氧，并因此避免了在反应器4中产生会将其损坏的过盛的火焰。
可能地，可以至少部分地将富含二氧化碳的、没有直接再循环的部分8b用作固体燃料的气动运输流体，和/或液体燃料的喷射流体，和/或用作旋风预加热器和/或熟料冷却器的气动清洗流体。
根据特别地在图2或图3中示出的另一个实施例：
用富含氧的、氮含量低于30％的气体10供给旋转炉1的燃烧器，其中所述气体10构成炉子的唯一氧源；
使从预加热器出来的气体的部分8a再循环，借助于交换器13、15将其冷却，并且将其导向所述熟料冷却器，以用作冷却气体。
现在更详细地描述符合本发明的、根据图2的示例的方法。
在该示例中，供给熟料冷却器5的冷却气体来自于再循环气体，所述再循环气体的部分8a来自于从预加热器3出来的气体，而另一部分则来自于由所述熟料冷却器5所产生的热气的一部分。用富含氧的、氮含量低于30％的气体10来供给旋转炉的燃烧器，所述气体10构成炉子的唯一氧源。用富含氧的、氮含量低于30％的气体9来供给预煅烧反应器4的燃烧器，所述气体9构成反应器4的唯一氧源。
并且，冷却气体富含二氧化碳。在熟料冷却器5中所产生的热气的、称为二次流的部分60被导向旋转炉1。更具体地，该部分60与富含氧的气体10混合，因此限制燃烧气体的氧浓度，以避免在炉子的燃烧器处产生会损坏所述炉子的过盛的火焰。
在熟料冷却器5中所产生的热气的、称为三次流的第二部分6被与第一部分分开地导向预煅烧反应器4，其中所述第二部分6同样富含二氧化碳，并且由至少等于750摄氏度的温度限定。在所述反应器中，该富含二氧化碳的气体部分6与富含氧的气体9混合，因此限制燃烧气体的氧浓度，以避免反应器4的燃烧器处产生会将其损坏的过盛的火焰。
在熟料冷却器5中所产生的热气的第三部分7在交换器14中冷却，并且再循环以便为熟料冷却器5供给冷却气体。
可能地，包含在预加热器的烟的没有再循环的部分8b中的残余热量可以用于产生能量。可能地，富含二氧化碳的、没有直接再循环的部分8b也可以至少部分地用作固体燃料的气动运输流体，和/或液体燃料的喷射流体，和/或用作旋风预加热器3和/或熟料冷却器5的气动清洗流体。
图3中所示的设备与图2的设备大致相似，其与图2的设备的不同之处在于，置于再循环气体的部分8a的气流上的交换器15由用于粉碎和干燥生料的单元构成。
在图1、图2和图3的设备中，富含氧的气体9或10的氮含量可以低于5％。
本发明还涉及一种用于如此制造水泥熟料的设备。
所述设备包括：
旋风预加热器3，其用于预加热生料2；
预煅烧反应器4，其设有一个或多个燃烧器，为旋风预加热器3提供热量；
旋转炉1，其设有被供给燃料的燃烧器，所述炉子的烟被导向预煅烧反应器4、甚至所述预加热器3；
通过吹送冷却气体来冷却熟料的熟料冷却器5，其位于所述旋转炉1的出口处，并产生热气。
根据本发明，所述设备还至少包括：
富含氧的、氮含量低于30％的气体9的源，其供给预煅烧反应器4；
管道80、81、82，其用于使从所述旋风预加热器3中出来的气体8的一部分8a再循环到所述设备中。特别地，所述设备可以是上述在图1、图2和图3中所示的、允许实施根据本发明的方法的设备。
根据一个实施例，至少一个交换器11与由熟料冷却器5所产生的热空气的一部分6协作，以重新加热再循环气体部分8a，再循环管道80直接供给预煅烧反应器4，甚至旋风预加热器3。
根据特别地在图2或图3中所示的另一个实施例：
富含氧的、氧含量低于30％的气体的源供给旋转炉1的燃烧器；
至少一个交换器13、15与再循环气体的部分8a协作，以将其冷却，所述再循环管道81、82为所述熟料冷却器5供给冷却气体。
可能地，根据该实施例，交换器14允许冷却由熟料冷却器所产生的热气的一部分7，从而允许使所述部分7再循环并且为所述熟料冷却器5供给冷却气体。
现在描述现有技术的设备的性能，然后描述图1中所示的上述设备的预期性能，最后描述图2中所示的上述设备的预期性能。
现有技术：
所考虑的设备为中等大小的、代表大量现有单元的生产能力的熟料生产单元，其在不实施本发明的情况下基于每小时337吨的生料流量，每天生产5000吨的熟料。
所述设备每生产一吨的熟料消耗以燃料的形式提供的3000兆焦，所述燃料的62.8％在预煅烧反应器处引入。考虑燃料为石油焦的情况，其中所述石油焦具有小于34300千焦/千克的热值和2％的氮含量。
除其它之外，熟料冷却器还产生：117000标准立方米/小时的、890摄氏度的三次空气，其供给预煅烧反应器的燃烧；210000标准立方米/小时、245摄氏度的排出空气(过剩空气)。旋风预加热器的烟的流量为286200标准立方米/小时，温度为320摄氏度。所供给的材料和预加热器的烟之间的质量流量比为0.82。
预加热器所产生和输出的烟的构成为：
氧：3.6％；
水：7.1％；
二氧化碳：29.6％；
氮：59.7％。
旋转炉的烟的流量为86200标准立方米/小时，温度为1160摄氏度。所述烟在旋风预加热器中使用。在炉子中所产生的烟的构成为：
氧：3.2％；
水：5.9％；
二氧化碳：21.5％；
氮：69.4％。
在所述条件下，二氧化碳总量的78.1％在预加热器中产生，而只有21.9％在旋转炉中产生。
根据本发明的示例1：
所考虑的设备与现有技术的设备相当，但这次实施根据本发明以及图1中所示的示例的二氧化碳浓缩。
在预煅烧反应器中以燃料的形式提供每生产一吨熟料所需的1972兆焦。炉子的工作没有改变，其每吨熟料消耗1117兆焦。在预煅烧器处进行的燃烧的氧需求为27650标准立方米/小时。
这样，在预加热器的出口处产生274100标准立方米/小时的、325摄氏度的烟，其中的104200标准立方米/小时被再循环，而169900标准立方米/小时被提取以处理其中的二氧化碳。所供给的材料和预加热器的烟之间的质量流量比为0.79。
所述由预加热器所产生和输出的烟的构成为：
氧：4.2％；
水：10.7％；
二氧化碳：49.8％；
氮：35.3％；
干烟上的二氧化碳：55.8％。
从冷却器提取117000标准立方米/小时的、890摄氏度的三次空气，所述三次空气被引导穿过交换器，并将其能量传递给预加热器的再循环的烟，所述三次空气冷却到350摄氏度。预加热器的所述烟因此在被导入预煅烧反应器之前被带到810摄氏度的温度。
根据本发明的示例2：
所考虑的设备为图2中所示的示例的设备。
熟料生产单元每生产一吨熟料消耗以燃料形式提供的3000兆焦，所述燃料的62.8％在预煅烧反应器处引入。在预煅烧反应器处和在炉子处燃烧用的氧需求由纯氧来保证。氧的总需求为42060标准立方米/小时。
这样，在预加热器的出口处产生238600标准立方米/小时的、320摄氏度的烟，其中129600标准立方米/小时被再循环，而109000标准立方米/小时被提取以处理其中的二氧化碳。所供给的材料和预加热器的烟之间的质量流量比为0.81。
所述由预加热器所产生和输出的烟的构成为：
氧：6.5％；
水：15.6％；
二氧化碳：77.7％；
氮：0.22％；
干烟上的二氧化碳：92.0％。
所提取的烟对应于166.36吨/小时的二氧化碳流量。
再循环的烟在被用于在熟料冷却器中吹风之前被引导到交换器组中，以被冷却到135摄氏度。冷却器的称为排出流的过剩气体在其本身被输送回熟料冷却器之前也被冷却到135摄氏度。
这样，吹送275800标准立方米/小时的、135摄氏度的气体流量穿过冷却器。该气体与所述材料接触时变热，并分为三部分：48100标准立方米/小时的、1180摄氏度的部分，其称为二次流，被导向炉子的燃烧区域；81500标准立方米/小时的、890摄氏度的部分，其称为三次流，被分开地导向预煅烧反应器；最后，146200标准立方米/小时的、370摄氏度的部分，其称为排出流或过剩流。再循环到炉子和预加热器中的气体的流量，即前两股流的和，为129600标准立方米/小时。熟料被冷却到205摄氏度。
当然，本领域的技术人员可以考虑其他的实施方式，而不因此超出以下权利要求所确定的本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于在设备中制造水泥熟料的方法，其中所述设备包括：
旋风预加热器(3)，其用于预加热生料(2)；
预煅烧反应器(4)，其设有一个或多个燃烧器，为所述旋风预加热器(3)提供热量；
旋转炉(1)，其设有被供给燃料的燃烧器，所述炉子(1)的烟被导向所述预煅烧反应器(4)和/或所述旋风预加热器(3)；
通过吹送冷却气体来冷却熟料的熟料冷却器(5)，其位于所述旋转炉(1)的出口处，并产生热气，
在所述方法中：
在所述旋风预加热器(3)和/或所述预煅烧反应器(4)中预加热生料并将所述生料脱二氧化碳；
在所述熟料冷却器(5)中冷却从所述炉子(1)中出来的熟料，
所述方法的特征在于：
用富含氧的、氮含量低于30％的气体(9)供给所述预煅烧反应器(4)，其中所述气体(9)构成所述反应器(4)的唯一氧源；
使从所述旋风预加热器(3)中出来的气体的一部分(8a)再循环到所述设备中，以获得材料在所述预加热器中悬浮所必需的足够的气流，而富含二氧化碳的另一部分(8b)则适于接受允许限制二氧化碳在大气中的排放的处理，例如尤其是封存。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使从所述旋风预加热器(3)中出来的气体(8)的所述部分(8a)再循环，以保证所处理的材料和所述烟之间的质量流量比包括在0.5千克/千克和2千克/千克之间。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，使从所述旋风预加热器(3)出来的气体(8)的所述部分(8a)再循环，并在将所述部分(8a)直接导向所述预煅烧反应器(4)、甚至所述旋风预加热器(3)之前对所述部分(8a)进行重新加热。
4.如权利要求3所述的方法，其中，借助于由所述熟料冷却器(5)所产生的热气的一部分(6)，对所述再循环气体部分(8a)进行重新加热。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中：用富含氧的、氮含量低于30％的气体(10)供给所述旋转炉的燃烧器，其中所述气体(10)构成所述炉子的唯一氧源；使从所述预加热器(3)出来的气体的所述部分(8a)再循环，借助于至少一个交换器(13、15)对所述部分(8a)进行冷却，并且将所述部分(8a)导向所述熟料冷却器(5)，以用作冷却气体。
6.如权利要求5所述的方法，其中，将用于干燥生料的单元用作用于冷却所述再循环气体部分(8a)的交换器(15)。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，使由所述熟料冷却器(5)所产生的热气的过剩部分(7)再循环，借助于交换器(14)将所述过剩部分(7)冷却，以便为所述冷却器供给冷却气体。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述富含氧的气体(9和/或10)的氮含量低于5％。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，将包含在所述预加热器的烟的没有再循环的部分(8b)中的残余热量用于产生能量。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述富含二氧化碳的气体部分(8b)被用作固体燃料的气动运输流体，和/或液体燃料的喷射流体，和/或用作所述旋风预加热器(3)和/或所述熟料冷却器的气动清洗流体。
11.一种用于制造水泥熟料的设备，所述设备包括：
旋风预加热器(3)，其用于预加热生料(2)；
预煅烧反应器(4)，其设有一个或多个燃烧器，为所述旋风预加热器(3)提供热量；
旋转炉(1)，其设有被供给燃料的燃烧器，所述炉子(1)的烟被导向所述预煅烧反应器(4)、甚至所述预加热器；
通过吹送冷却气体来冷却熟料的熟料冷却器(5)，其位于所述旋转炉(1)的出口处，并产生热气，
所述设备的特征在于，所述设备还至少包括：
富含氧的、氮含量低于30％的气体(9)的源，其供给所述预煅烧反应器(4)；
管道(80；81；82)，其用于使从所述旋风预加热器(3、3a)中出来的气体的一部分(8a)再循环到所述设备中。
12.如权利要求11所述的设备，其中，至少一个交换器(11)与由所述熟料冷却器(5)所产生的热空气的一部分(6)协作，以重新加热所述再循环气体部分(8a)，所述再循环管道(80)直接供给所述预煅烧反应器(4)、甚至所述旋风预加热器(3)。
13.如权利要求11所述的设备，其中：富含氧的、氮含量低于30％的气体的源供给所述旋转炉(1)的燃烧器；至少一个交换器(13；15)与所述再循环气体部分(8a)协作，以将所述再循环气体部分(8a)冷却，所述再循环管道(81；82)为所述熟料冷却器(5)供给冷却气体。
14.如权利要求13所述的设备，其中，交换器(14)允许冷却由所述熟料冷却器(5)所产生的热气的一部分(7)，以为所述熟料冷却器(5)供给冷却气体。
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